通过SPICE仿真软件加速并改善过滤器设计

想法简介

仿真已经成为设计过程中的一个重要阶段，因为它可以让工程师在原型设计之前评估和验证电路行为，防止设计缺陷在设计链中层叠，并有助于设计人员在虚拟环境中提高了电路的性能，无风险。

还有什么比让电路板商店回归错误设计更令人沮丧的事情吗？今天许多设计师都面临着在几周内（如果不是几天）生产原型的压力，并且设计迭代的余地有限。幸运的是，最新的设计工具通过提供整体和直观的电路设计和验证方法来提高生产率。

许多半导体制造商提供工具来帮助在初始规范阶段设计稳健的系统模块。 Analog Devices，Inc。 （ADI），例如，hasan在线滤波器设计工具（参见参考文献1），指导用户完成有源滤波器合成过程以及根据这些规范选择推荐的运算放大器。然后，该工具生成最终设计拓扑，以及物料清单和SPICE网表。在原型设计之前的阶段，来自NI（NI）的模拟环境使用指定部件的宏模型提供进一步的优化和验证（参见参考文献2）。

在本文中，我们将探讨如何进行整体设计这种方法可以加速并改善过滤器设计中经常令人生畏的任务 - 这是一系列电子应用中常见的构建模块。但首先是一些背景知识。

SIM基础知识

最流行的模拟电路仿真工具是SPICE，它代表集成电路强调的仿真程序。 SPICE可以追溯到20世纪60年代后期，当时它是在加州大学伯克利分校开发的。 SPICE已发展成为模拟电路仿真的行业标准，并且仍然是世界上使用最广泛的电路仿真器。多年来，增加了更多的模拟算法，组件模型和扩展。例如，在佐治亚理工学院开发的XSPICE允许对组件进行行为建模，以加快混合模式和数字仿真的速度。 NI Multisim ™环境支持SPICE 3F5和XSPICE仿真。

但是为什么设计师需要模拟仿真？仿真已经成为设计过程中必不可少的阶段，因为它可以让工程师在原型设计之前评估和验证电路行为。仿真可以防止设计缺陷从设计链级联到制造的电路板，重新设计变得成本更高。此外，通过探索一系列假设情景，设计人员可以在无风险的情况下提高其在虚拟环境中的电路性能。

使用电路仿真器的主要好处之一是能力模拟模拟真实可订购零件的宏模型。现代SPICE仿真器也采用越来越多的图形化方法来处理传统上基于文本的过程。例如，NI Multisim包含17,500多个组件，其中许多宏模型来自领先的半导体制造商;捕获电路时自动生成基于文本的SPICE网表，交互式测量仪器（如示波器或函数发生器）具有模拟真实台式电脑的显示和功能。通过这些图形扩展，设计人员不再需要具备SPICE语法方面的专业知识，以充分利用仿真的优势。

仿真和滤波器设计

滤波器无处不在 - 从超声设备到心脏起搏器，只有特定频率范围通过才至关重要。然而，虽然过滤器是电子应用中无处不在的构建块，但过滤器设计很少被理解并且经常是痛苦的。是什么让它如此复杂？通常，强度不是模拟电路设计的系统设计人员不能很好地理解特定性能所需的滤波器阶数。

滤波器类型有很多变化（例如，Butterworth，Chebyshev和椭圆）针对各种规格进行了优化，例如单调纹波或过渡区域宽度。滤波器设计还涉及编写复杂的数学方程式，以识别改变滤波器形状的极点/零点位置（参见参考文献3）。另一个问题是理论计算过程中假设的完美组分不存在;例如，电阻器的制造公差会影响预期的电路行为。

过滤器向导等设计工具通过帮助设计人员了解不同拓扑结构之间的差异，以及建议在不同拓扑结构中使用的部件，大大简化了这一复杂任务。设计，无需复杂的数学。图形环境允许设计人员观察其电路如何在各种元件公差范围内工作。

验证巴特沃斯滤波器的设计

在我们的示例中，我们验证了有源电路的设计过滤。该滤波器采用ADI滤波器向导设计，并采用ADA4000-2双精度运算放大器，该放大器因其快速压摆率和容性负载稳定性而被选中，因此非常适合滤波器设计。该运算放大器的微微安培偏置电流允许使用高值电阻来构建低频滤波器，而无需担心增加直流误差。此外，R1的高值可最大限度地减少与信号源电阻的相互作用。通过级联更多块可以实现更高阶滤波器;然而，对元件值的敏感性以及元件之间相互作用对频率响应的影响显着增加，使得这些选择的吸引力降低。信号相位通过滤波器保持（非反相配置）。

在NI Multisim中捕获过滤器以进行验证和进一步分析（参见图1）。这种低通，四阶巴特沃兹滤波器设计具有20 kHz截止频率和Sallen-Key实现，因为它易于设计，最大平坦的频率响应和最小的元件要求。巴特沃斯滤波器在通带和阻带中是单调的，并且具有最佳的通带纹波和宽的过渡区域（即通带和阻带之间的区域）。它们经常在数据采集系统中用作抗混叠滤波器。在EVAL-FLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ滤波器板上使用双极版Sallen-Key滤波器拓扑结构，可从ADI订购。该电路板的应用笔记为AN-0991。

设计滤波器时，重要的是要考虑电路的频率和时域响应。让我们研究如何使用NI Multisim验证这些特性。

验证频率响应

图2显示了交流分析的结果。仿真结果表明截止频率（增益下降3dB的频率）为20.1 kHz，这非常接近我们设定的20 kHz规范。我们可以看到，在这个转角频率之外，增益下降到每十倍频80 dB（滤波器传递函数中每个极点为-20dB / dec或-6dB / oct）。

我们还观察到阻带不会像我们对理想滤波器的预期那样连续减小;由于运算放大器电压增益的损失，增益开始在大约1 MHz处增加。使用光标，我们估计该阻带约为700 kHz。

验证时域响应

我们可以使用Multisim中提供的测量仪器来研究阶跃响应。函数发生器允许我们输入激励，示波器允许我们直接在原理图环境中观察输出波形。这些测量仪器模仿他们的台式机;例如，使用示波器，可以根据波形特征调整时基和分压等参数。使用测量仪器，我们还可以实时更改设置，例如函数发生器设置的频率，这样我们就可以看到信号在超过20 kHz点的频率下衰减了多少。

我们可以用示波器测量上升时间和建立时间等特性，如图3所示;但是，我们也可以在Grapher中查看这些数据，这个选项允许我们注释和打印图形以用于文档目的。

我们研究的第一个特征是上升时间（定义为时间从最终产值的10％到90％）;使用游标，我们确定这是19.3μs。我们还看到约92μs的建立时间。这些特性在图4所示的图表上进行了注释。（请注意，参数TMAX会影响上升时间，并且为了本示例的目的而从默认值更改。）

考虑最坏的案例情景

模拟的另一个核心好处是能够计算非理想的组件值（即容差）。在本节中，我们执行蒙特卡罗分析，该分析使用我们在原理图中定义的5％元件公差范围内的元件值排列运行多个交流分析;这使我们能够看到在最坏的情况下我们的截止频率如何受到影响。 （请注意，此分析也可用于瞬态或直流工作点分析。）

假设理想条件，第一次运行是标称运行。我们的分析输出迭代了我们电路的200个排列，如图5所示。观察到第171次运行（底部跟踪）和第二次运行（底部跟踪）定义了截止频率为20.67 kHz和19.02 kHz的最坏情况， 分别。截止频率的这种偏差表明该滤波器设计对元件方差的灵敏度较低。

正如我们所看到的，一些测量需要比其他测量更多的后处理。例如，如果重复进行，计算上升时间等任务可能会变得乏味。幸运的是，有一些工具可以解决这个问题。 NI LabVIEW ™是一种图形化编程语言，允许我们创建一个自定义界面，用于在Multisim中可视化和分析测量结果。该仪器可根据输入和输出波形自动计算滤波器设计的上升时间，斜率，过冲和下冲。通过创建自定义仪器，设计人员可以自动显示传统上需要手动后处理的准确的特征值。定制仪器可用于广泛的应用，包括将实际采集的测量值导入NI Multisim，其中包含噪声等真实效果，以获得更高的仿真精度。

结论

今天的系统设计师无法承受未经验证的想法。借助现代设计工具，例如ADIFilter向导，已经构建和验证的电路和NI Multisim，他们不需要工程师可以在原型设计阶段之前验证和改善电路行为，大大提高设计效率。结果是重新设计成本更低，上市时间更短，设计性能更好。